專利名稱：在鍋爐管外表面形成熔覆層的雙粉芯絲及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種在鍋爐管外表面形成金屬陶瓷 熔覆層的雙粉芯絲及其制備方法。
背景技術(shù)：
在燃煤火力發(fā)電廠中，鍋爐四管(即水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤器管)的 磨損與腐蝕是長期困擾發(fā)電行業(yè)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于鍋爐四管爆裂 引起的非計(jì)劃停運(yùn)事故占火電廠全部非計(jì)劃停運(yùn)事故的60%左右。
在各種燃煤鍋爐中，循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的磨損問題尤為突出。循環(huán)流化床 鍋爐爐內(nèi)受熱面包括膜式水冷壁、雙面水冷壁以及全分隔墻水冷壁等，其磨損是目前 鍋爐運(yùn)行中普遍存在的問題。當(dāng)流化床鍋爐燃用劣質(zhì)煤(煤矸石摻燒比例大、灰分高) .時，水冷壁管的磨損問題更加突出，鍋爐頻繁爆管，給電廠帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的磨損主要集中在爐膛下部衛(wèi)燃帶與水冷壁管過渡區(qū)域、爐 膛四周角落等區(qū)域和不規(guī)則區(qū)域。爐膛下部衛(wèi)燃帶與水冷壁管過渡區(qū)域管壁的磨損原
因?yàn)?1)沿爐膛內(nèi)壁面下流的固體物料在交界區(qū)域產(chǎn)生流動方向的改變，因而對水
冷壁管產(chǎn)生沖刷磨損；在過渡區(qū)域內(nèi)由于沿壁面下流的固體物料與爐內(nèi)向上運(yùn)動
的固體物料運(yùn)動方向相反，在局部產(chǎn)生渦旋流，對水冷壁管產(chǎn)生磨損。爐膛四周角落
區(qū)域管壁的磨損原因?yàn)榻锹鋮^(qū)域內(nèi)壁面向下流動的固體物料密度比較高，同時流動 狀態(tài)也受到破壞。不規(guī)則區(qū)域管壁(如溫度計(jì)、差壓計(jì)等處穿墻管等)磨損的主要原 因?yàn)椴灰?guī)則管壁對局部流動特性造成較大的擾動。 現(xiàn)有燃煤鍋爐水冷壁管防磨的主要技術(shù)包括
(1) 采用熱噴涂技術(shù)(主要為電弧噴涂技術(shù))在管壁受熱面噴涂耐磨涂層
(2) 采用主動多階式防磨梁防磨技術(shù)，該技術(shù)從主動降低貼壁流的灰濃度與速度 .著手，控制導(dǎo)致磨損產(chǎn)生的因素；
(3) 增加防磨帶的高度、降低流化速度。 上述技術(shù)雖然部分解決了水冷壁管的磨損問題，但仍具有一定的局限性。 釆用熱噴涂技術(shù)制備耐磨涂層的周限性包括(1)為避免涂層褶皺翹起，涂層厚度
一般為300-500um;涂層與基體為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度僅20-4簡Pa，涂層在顆粒沖刷 及熱應(yīng)力作用下易疲勞失效而剝落，上述原因?qū)е峦繉臃滥ブ芷谳^短；(2)對于局部 磨損嚴(yán)重區(qū)域，涂層的防磨效果不明顯；(3)電弧噴涂技術(shù)常采用由合金外皮包裹含 陶瓷粉末的粉芯絲，粉芯絲的含粉量一般《40wtJ，這就使得涂層中陶瓷相含量受到 限制，從而使涂層硬度和耐磨性等指標(biāo)難以達(dá)到最佳值。
加裝防磨梁防磨技術(shù)雖然可減輕水冷壁管的磨損速率，但可能會引起爐膛排煙溫 度升高等問題。而采用增加防磨帶高度的方法時，會導(dǎo)致磨損的區(qū)域向上轉(zhuǎn)移甚至擴(kuò) 大，而且澆注料上移過多后減少了水冷壁蒸發(fā)受熱面積，給水冷壁布置帶來困難。
綜上，現(xiàn)有的鍋爐管防磨技術(shù)仍存在局限性，還不能滿足鍋爐管長壽命可靠工作的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在鍋爐管外表面形成金屬陶瓷熔覆層的雙粉芯絲及其 制備方法。利用等離子弧、氬弧熔覆法，在鍋爐管外表面同時熔覆粉芯絲A和粉芯絲B， '可形成厚度大于500wm的高耐磨損金屬陶瓷熔覆層，熔覆層與基體達(dá)到冶金結(jié)合。本 發(fā)明突破了現(xiàn)有熱噴涂技術(shù)制備的涂層所存在的涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低(機(jī)械結(jié)合)、 涂層厚度一般小于500 u m等局限性。
本發(fā)明所述的雙粉芯絲由粉芯絲A、粉芯絲B組成，利用等離子弧、氬弧熔覆法， 在鍋爐管外表面同時熔覆具有不同送絲速度的粉芯絲A和粉芯絲B，在基體表面形成由 TiCx(x在0.8-1范圍)、CrB、 CrB2陶瓷相增強(qiáng)的高耐磨損金屬陶瓷熔覆層，熔覆層與 基體達(dá)到冶金結(jié)合；其中，粉芯絲A用于形成TiC,陶瓷相，粉芯絲B用于形成CrB、 OB2陶瓷相和粘結(jié)相；由于實(shí)施熔覆工藝時可獨(dú)立調(diào)節(jié)粉芯絲A、粉芯絲B的送絲速度， 從而使熔覆層中陶瓷相體積分?jǐn)?shù)可控，熔覆層中陶瓷相體積分?jǐn)?shù)可達(dá)60-85%，熔覆層 的硬度可達(dá)900-1400HV，熔覆層厚度可達(dá)600-1500 u m，熔覆層的最高工作溫度達(dá)1000 。C。
粉芯絲A所用粉末材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Mo粉(粒度200-400目、純度》99.Wo): '8-10wtJ,石墨C粉(粒度200-400目、純度》99.9%):余量；添加Mo的目的是改善 熔覆層中陶瓷相與粘結(jié)相的潤濕性。
粉芯絲B所用粉末材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ni粉(粒度200-400目、純度》99.990: 10-15wt. %, Cr粉(粒度200-400目、純度>99. 9%) : 10-15wt. °/。， CrB2粉(粒度200-400 目、純度>99.9%)余量。
本發(fā)明所述熔覆層的制備方法是，利用等離子弧、氬弧同時熔覆可具有不同送絲 速度的粉芯絲A、粉芯絲B，從而形成金屬陶瓷熔覆層。制備粉芯絲A、粉芯絲B的具 體步驟包括
1、 粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末材料的配比
粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末材料分別由下列各種粉芯原料混合而成，分別如下
(1) 粉芯絲A所用的粉末材料 粉芯絲A所用粉末材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Mo粉8-10wtJ，石墨C粉:余量，稱作
粉芯原料1;
(2) 粉芯絲B所用的粉末材料
粉芯絲B所用粉末材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ni粉10-15wt.%，Cr粉10-15wt.%， CrB2粉余量，稱作粉芯原料2;
2、 粉芯絲的制備工藝
(1) 按步驟1所述的各種粉末比例，分別稱取粉芯原料1、粉芯原料2所需的各 種粉末；
(2) 將粉芯原料1、粉芯原料2分別放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為100-120 °C，干燥時間為3-6小時；
(3) 利用行星式球磨機(jī)分別混合粉芯原料1、粉芯原料2，形成組分均勻的混合
粉末；
(4) 采用純Ti帶包裹球磨混合后的粉芯原料l，形成粗絲材A，粉芯原料l在粉芯絲A中所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為18-25wt. %;
(5) 采用純Ni帶或不銹鋼帶包裹球磨混合后的粉芯原料2，形成粗絲材B,粉芯 原料2在粉芯絲B中所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為30-40wt. %;
(6) 利用制備粉芯絲的機(jī)械裝置，采用拔拉或軋絲等方法將封閉后的粗絲材A、 粗絲材B逐級減徑，形成成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B，成品粉芯絲A、粉芯絲B的直
.徑為2-3mm;
(7) 將成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B分別繞制在繞線軸上，形成盤狀纏繞的粉芯絲。


圖1為制備金屬陶瓷熔覆層復(fù)合鍋爐管設(shè)備原理圖，旋轉(zhuǎn)接頭1，由支座固定的軸 承2， V型支座3，鍋爐管4， V型支座5，可調(diào)節(jié)懸臂6， V型支座7，等離子弧焊槍8， 三爪卡盤9，傳動鏈條IO，旋轉(zhuǎn)接頭ll，熔覆工作臺12，驅(qū)動鍋爐管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電 動機(jī)13，絲杠14，由絲杠驅(qū)動作直線運(yùn)動的底座15，擺動器16，驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動的電 動機(jī)17;
圖2為等離子弧焊槍與粉芯絲的相對位置示意圖，粉芯絲導(dǎo)引器18，等離子弧焊 槍19，粉芯絲A20,粉芯絲B21，鍋爐管22;
圖3為按照本發(fā)明所制備的具有金屬陶瓷熔覆層的復(fù)合鍋爐管斷面照片，金屬陶 .瓷熔覆層23。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例-
1、 粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末材料配比
粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末分別由下列各種粉芯原料混合而成，分別如下
(1) 粉芯絲A所用的粉芯原料1
粉芯絲A所用粉芯原料1的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Mo粉(粒度-300目、純度99. 9%): 9wtJ，石墨C粉(粒度-300目、純度99.9%):余量；
(2) 粉芯絲B所用的粉芯原料2
粉芯絲B所用粉芯原料2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ni粉(粒度-300目、純度99. 95%): 13wt. %, Cr粉(粒度-200目、純度99. 9%) : 12wt. %， CrB2粉(粒度-200目、純度99. 9%) 余量；
2、 粉芯絲的制備工藝
(1) 按步驟l所述比例，分別稱取粉芯原料l、粉芯原料2所需的各種粉末；
(2) 將粉芯原料1、粉芯原料2分別放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為IO(TC， 干燥時間為5小時；
(3) 利用行星式球磨機(jī)分別混合粉芯原料1、粉芯原料2，形成組分均勻的混合 粉末，混料時間為4小時；
(4) 采用純Ti帶包裹球磨混合后的粉芯原料l,形成粗絲材A，粉芯原料l在粉 芯絲A中所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為21wt.%;
(5) 采用0Crl柳i9Ti不銹鋼帶包裹球磨混合后的粉芯原料2,形成粗絲材B,粉 芯原料2在粉芯絲B中所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為35wt. %;
(6) 利用制備粉芯絲的機(jī)械裝置，采用拔拉或軋絲等方法將封閉后的粗絲材A、粗絲材B逐級減徑，形成成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B，成品粉芯絲A、粉芯絲B的直 徑為2mm;
(7)將成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B分別繞制在繞線軸上，形成盤狀纏繞的粉芯 絲，每盤重量為12kg。
3、制備具有金屬陶瓷熔覆層的復(fù)合鍋爐管
制備具有金屬陶瓷熔覆層復(fù)合鍋爐管的設(shè)備主要由等離子弧焊機(jī)及焊槍、控制等 離子弧焊槍作直線運(yùn)動的絲杠裝置、控制鍋爐管做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電動機(jī)及傳動裝置、 管內(nèi)水冷裝置和熔覆工作臺等部分組成，其原理如圖1所示。實(shí)施熔覆工藝的步驟如 下
(1) 選用最大電流為300A的鎢極直流等離子弧焊機(jī)及等離子弧焊槍，將等離子 弧焊槍固定在擺動器的懸臂上，擺動器底座固定在由絲杠驅(qū)動作直線運(yùn)動的底座上；
(2) 選用送絲直徑為2mm的送絲機(jī)2臺(即送絲機(jī)l、送絲機(jī)2)，送絲機(jī)送絲速 度的可調(diào)節(jié)范圍為2-10mra/s,將步驟2所述繞成盤狀的粉芯絲A、粉芯絲B分別裝配在 送絲機(jī)l、送絲機(jī)2上；
(3) 將送絲機(jī)l、送絲機(jī)2的送絲導(dǎo)向管的頭部分別固定在導(dǎo)引器上，與導(dǎo)引器 相連的懸臂固定在由絲杠驅(qū)動作直線運(yùn)動的底座上，通過導(dǎo)引器使粉芯絲A和粉芯絲B 的頭部處于鍋爐管橫截面最高點(diǎn)處；
(4) 將外徑為60mm、壁厚為6腿、長度為5m的鍋爐管外表面進(jìn)行除油、表面噴 砂處理，然后將鍋爐管裝配在熔覆工作臺上；其中，鍋爐管的一端固定在可作旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動的三爪卡盤上，另一端固定在由支座固定的滾動軸承上；
(5) 鍋爐管兩端分別通過法蘭連接公稱直徑為45mm的兩個旋轉(zhuǎn)接頭，兩個旋轉(zhuǎn) 接頭中， 一個作為鍋爐管內(nèi)壁冷卻水的入口端，另一個作為鍋爐管內(nèi)壁冷卻水的出口 端，鍋爐管內(nèi)壁冷卻水的入口端旋轉(zhuǎn)接頭與循環(huán)水泵出水的水管相連，循環(huán)水泵的進(jìn) 水管與循環(huán)冷卻水箱的出水口相連，鍋爐管內(nèi)壁冷卻水的出口端旋轉(zhuǎn)接頭與回水管的 一端相連，該回水管的另一端與循環(huán)冷卻水箱的進(jìn)水口相連；
(6) 啟動鍋爐管內(nèi)壁水冷卻所用的循環(huán)水泵，啟動使鍋爐管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電動機(jī)， 使鍋爐管的轉(zhuǎn)動速度為1. 65圈/min;
(7) 調(diào)節(jié)等離子弧焊槍位置，使等離子弧焊槍靠近三爪卡盤端部，并使等離子弧 焊槍槍口處于鍋爐管橫截面最高點(diǎn)處，然后調(diào)節(jié)等離子弧焊槍，使等離子弧焊槍口與 鍋爐管橫截面最高點(diǎn)處距離為9mm;調(diào)節(jié)等離子弧焊槍沿鍋爐管軸線方向移動，使等離 子弧焊槍槍口處于粉芯絲A、粉芯絲B頭部的上方，如圖2所示；
(8) 啟動擺動器，擺動器的頻率為80次/min;啟動送絲機(jī)A、送絲機(jī)B，使粉芯 絲A的速度為6mm/s、粉芯絲B的速度為4mm/s;同時啟動使絲杠轉(zhuǎn)動的電動機(jī)，使由 絲杠驅(qū)動作直線運(yùn)動的底座的速度為9mm/min;然后啟動等離子弧焊機(jī)引弧開關(guān)，并使 電流達(dá)到160A，非轉(zhuǎn)移弧所需離子氣的流速為0. 12L/min,保護(hù)氣體的流速為4L/min; 等離子弧作用于緊貼于鍋爐管橫截面最高點(diǎn)的粉芯絲A、粉芯絲B上，快速熔化粉芯絲 A、粉芯絲B，形成烙池并在鍋爐管外表面快速凝固，從而形成連續(xù)螺旋搭接的金屬陶 瓷熔覆層，熔覆層平均厚度為950uni。
權(quán)利要求
1、一種在鍋爐管外表面形成熔覆層的雙粉芯絲，其特征在于，由粉芯絲A、粉芯絲B組成，利用等離子弧、氬弧熔覆法，在鍋爐管外表面同時熔覆具有不同送絲速度的粉芯絲A和粉芯絲B，在基體表面形成由TiCx、CrB、CrB2陶瓷相增強(qiáng)的高耐磨損金屬陶瓷熔覆層，熔覆層與基體達(dá)到冶金結(jié)合，熔覆層中陶瓷相體積分?jǐn)?shù)為60-85％，熔覆層的硬度為900-1400HV，熔覆層厚度為600-1500μm；其中，x在0.8-1范圍；粉芯絲A所用粉末材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Mo粉8-10wt.％，石墨C粉余量；粉芯絲B所用粉末材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ni粉10-15wt.％，Cr粉10-15wt.％，CrB2粉余量。
2、 一種權(quán)利要求1所述在鍋爐管外表面形成金屬陶瓷熔覆層的雙粉芯絲的制備方 法，其特征在于，制備粉芯絲A、粉芯絲B的具體步驟包括(1) 粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末材料配比 粉芯絲A所用粉末材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Mo粉8-10wtJ，石墨C粉:余量，稱作粉芯原料l;粉芯絲B所用粉末材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ni粉10-15wt.%，Cr粉10-15wt.%， CrB2粉余量，稱作粉芯原料2;(2) 粉芯絲的制備工藝按步驟(1)所述的各種粉末比例，分別稱取粉芯原料l、粉芯原料2所需的各種 粉末；將粉芯原料l、粉芯原料2分別放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為100-120°C，干 燥時間為3-6小時；利用行星式球磨機(jī)分別混合粉芯原料l、粉芯原料2，形成組分均勻的混合粉末； .采用純Ti帶包裹球磨混合后的粉芯原料1，形成粗絲材A，粉芯原料1在粉芯絲A 中所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為18-25wt.%;采用純Ni帶或不銹鋼帶包裹球磨混合后的粉芯原料2,形成粗絲材B，粉芯原料2 在粉芯絲B中所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為30-40wt.%;利用制備粉芯絲的機(jī)械裝置，采用拔拉或軋絲方法將封閉后的粗絲材A、粗絲材B 逐級減徑，形成成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B,成品粉芯絲A、粉芯絲B的直徑為2-3醒；將成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B分別繞制在繞線軸上，形成盤狀纏繞的粉芯絲。
全文摘要
一種在鍋爐管外表面形成熔覆層的雙粉芯絲及其制備方法，屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域。該雙粉芯絲由粉芯絲A、粉芯絲B組成，利用等離子弧、氬弧熔覆法，在鍋爐管外表面同時熔覆粉芯絲A和粉芯絲B，在基體表面形成由TiC_x、CrB、CrB₂陶瓷相增強(qiáng)的金屬陶瓷熔覆層，熔覆層與基體達(dá)到冶金結(jié)合，熔覆層中陶瓷相體積分?jǐn)?shù)為60-85％，熔覆層的硬度為900-1400HV，熔覆層厚度為600-1500μm；其中，x在0.8-1范圍。粉芯絲A所用粉末的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Mo粉8-10wt.％，石墨C粉余量；粉芯絲B所用粉末的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ni粉10-15wt.％，Cr粉10-15wt.％，CrB₂粉余量。
文檔編號C23C24/00GK101660157SQ20091009308
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者劉宗德, 松 王, 胡衛(wèi)強(qiáng) 申請人:華北電力大學(xué);北京華電納鑫科技有限公司